气候

用树发电的BECCS技术离中国还有多远?

BECCS作为一项“负排放”技术在实现碳中和的路线图中被寄予厚望,但它在中国的发展受到技术准备和原材料供应的双重掣肘,远未成熟。
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BECCS需要大量土地来种植用以发电的植物,但中国一直实施18亿亩耕地红线的制度。图片来源:Alamy
BECCS需要大量土地来种植用以发电的植物,但中国一直实施18亿亩耕地红线的制度。图片来源:Alamy

中国的植树造林成就举世瞩目。那如果可以通过不断植树吸收大气中的二氧化碳,然后用树木燃烧发电,并把产生的碳排放收集起来注入地下封存,并循环往复,是否可以成为实现 “碳中和”重要出路之一?

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虽然听起来异想天开,但这种名为生物质结合碳捕集与封存(BECCS)的技术和其它二氧化碳移除技术(CDR)在政府间气候变化委员会(IPCC)2018年发布的《全球升温 1.5°C 特别报告》中被认为是未来不可或缺的“负排放”手段。想将全球升温限制在1.5℃,全球需要依靠CDR来吸取1000至10000亿公吨二氧化碳,帮助难以实现零排放的行业解决残余碳排。现有和潜在的CDR措施包括造林、土壤固碳、BECCS、直接空气碳捕获和封存(DACCS)、增强风化和海洋碱化等,但这些措施在成熟度、潜力、成本、风险等方面差异很大,仅有造林和BECCS两条技术路径相对成熟。

目前,BECCS技术在中国由于基础技术推广不够、所需生物质燃料供应不足等问题,并没有项目试点。但作为一项重要的负排放技术,在未来中国减排潜力被挖掘殆尽的情况下,它可能需要担起“大梁”,帮助碳中和目标的实现。

CCS基础短板

清华大学环境学院教授王灿3月撰文指出,面对具有挑战性的碳中和目标,目前国家应对气候变化的科技水平还不足以支撑承诺兑现,亟须针对负排放技术开展研究与示范。

BECCS技术如果要在碳中和路线中扮演关键角色,其中的两个关键部分:生物质能(BE)和碳捕集与封存(CCS)都需要充分发挥作用,缺一不可。

BECCS如何运作?

BECCS通过农作物或树木的成长过程将二氧化碳从空气中吸收。

这样,既可以通过燃烧这些树木释放能量,又能同时捕获燃烧排放的碳。

捕获的碳被封存在地下,防止其回到大气中,然后不断重复整个过程。随着时间的推移,只要规模足够大,这项技术理论上可以消除大气中大量的碳。

BECCS bioenergy carbon capture storage china dialogue geoengineering

中国现存的CCS示范项目普遍在“捕集”(Capture)和“封存”(Storage)环节基础上加上“利用”(Utilization),即二氧化碳捕集、利用和封存技术(CCUS),以期抵消部分成本。但即使在这种情况下,高昂的成本仍使得很多示范项目难以启动和维持,这影响了中国CCUS技术水平的提升,尤其是一些关键技术环节缺乏技术示范。

中国主要的CCUS模式是二氧化碳强化驱油(EOR),即将二氧化碳液体注入到枯竭油井中,驱赶岩缝中的原油,提高油田的开采率和利用量。在这一过程中,大部分注入的二氧化碳可以与大气永久隔离,实现封存。在全球碳捕集与封存研究院(Global CCS Institute)统计的数据中,目前中国在运行的8个CCS示范项目中,有6个是CCUS项目,多布局在北方的油田。

亚洲开发银行的一份报告曾指出,如果中国煤化工行业的碳捕集和石油行业的强化驱油合作,只要石油企业给出合理的二氧化碳收购价格(如100元每吨),那么CCS的整体成本可以接近于零。

在缺乏外部减排压力和政策支持的情况下,石油企业大多没有经济动力部署CCUS项目。

但从目前已经采用CCUS-EOR驱油技术的石油公司来看,CCUS的经济效益并不乐观。中国石油勘探开发研究院的秦积舜及其团队在新发表的论文《CCUS全球进展与中国对策建议》中提到,以中国东北的吉林省某油田50万吨工业化推广项目为例,具有经济性的前提条件是油价在90美元/桶以上,提高采收率幅度不低于10%,二氧化碳来源充足稳定供应。但近年来国际油价持续下行,原油价格在今年3月底约为60美元/桶,中国二氧化碳驱油能提高的采收率幅度平均约为7.4%,且未形成专供CCUS的、价格相对合理且稳定供给的二氧化碳市场。

此外,该论文还指出,目前中国正在开展的CCUS项目多数规模较小,经济效益也不明显。在缺乏外部减排压力和政策支持的情况下,石油企业大多没有经济动力部署CCUS项目。

上海交通大学中英国际低碳学院李佳副教授告诉中外对话,煤电厂捕获二氧化碳的成本相对较高,定价也高,石油公司因为无法盈利而不愿意收购煤电厂捕获的二氧化碳,难以形成商业化运营。“据我所知,中国暂时还没有煤电厂和石油公司合作的成功案例”,李佳说。

除了CCUS示范开展面临挑战,中国在其它CCS关键环节上也缺乏技术储备。一份2017年发表在《气候战略研究简报》上的报告指出,中国在盐水层封存、二氧化碳封存监测和预警以及大规模二氧化碳运输等方面的技术示范案例仍非常少。

Carbon dioxide storage tanks are seen at a cement plant and carbon capture facility in Wuhu, Anhui province, China
安徽芜湖一家水泥厂的二氧化碳存储及捕集设施。图片来源:Alamy

以盐水层封存为例,仅有神华集团于2011年在内蒙古建设了 10 万吨 / 年全流程 CCS 示范工程项目,将液态二氧化碳注入地下盐水层封存。但一位熟悉中国CCS项目的不具名专家告诉中外对话,目前这个项目已经因为无法获利而暂停。

盐水层封存恰恰被认为是未来中国实现规模化二氧化碳地质存储的主力。一份由中国地质调查局和吉林大学的研究人员开展的“中国二氧化碳地质存储潜力评价”显示,深部盐水层的存储潜力占中国盆地二氧化碳地质存储潜力的95.6%,远高于油田、天然气田和煤层气田。

上述《气候战略研究简报》上的报告提出,2020-2030年期间,中国应加强大规模、全流程 CCUS 示范项目的推进力度,开展碳捕集与盐水层封存相结合的工程示范,争取到2030年使 CCUS 带来的年减排量达到 3000-5000 万吨二氧化碳。该报告还援引西北太平洋实验室和中国科学院武汉岩土力学研究所的测算指出,中国技术上可实现的碳捕集量超过38亿吨二氧化碳,EOR和盐水层可封存的容量分别为 10亿和1000 亿吨二氧化碳。 根据全球碳捕集与封存研究院的统计数据,包括还未正式运行的项目在内,全部现有CCS项目的二氧化碳年捕集量约为540万吨。中国目前的二氧化碳年排放量约为100亿吨左右。“如果国家期望依靠CCUS减排上百亿吨,那现在完成的量几乎是可以忽略不记。”上述不具名的专家强调,“要完成量级的提升,对中国仍有很大的挑战。”

生物质供应之困

BECCS的另一大困境在于“BE”遇到的问题,即生物质来源问题。根据皮特•史密斯(Pete Smith)等人2016年在《自然》发布的论文,如果将BECCS作为满足巴黎协定2℃目标的关键技术,需要全球约3%的淡水资源,7%至25%的现有农业用地面积,以及25%至46%的适宜耕种优势农作物的土地面积。 

然而,考虑到社会经济的发展、现有的土地资源、淡水资源和生物多样性,BECCS所需要的生物质来源(包括如木材、草、农业废弃物、藻类等)面临着重重限制。

自2006年以来,为确保粮食安全,中国一直实施18亿亩耕地红线的制度。2011年来,为保护生物多样性,中国又提出了生态红线的概念,目前,生态红线划定工作已基本完成,将中国至少25%的陆地和海洋面积纳入法律保护范围。

“就那么多耕地,不能碰。就那么多林地,也不能碰。还有些地方寸草不生,不适合种植用以发电的植物。”上述不具名专家感慨,“想要推动BECCS的发展,需要负责生态红线的生态环境部、自然资源部和负责耕地红线的农业农村部一起坐下来探讨。如果只是为了碳移除而把这几大部委聚到一块儿,恐怕很难。但‘争水、争地、争粮食’的问题不解决,对生物质能源发展确实有很大的制约。”

Drax power station, biomass storage
英国德拉克斯电站的燃烧材料存放处鸟瞰图。图片来源:Alamy
Large amount of wheat straws are recycled by biomass power plants and farms in Bozhou, Anhui, China on 02th June, 2020.
安徽亳州的生物质电厂和农场回收的秸秆。图片来源:Alamy

此外,生物质发电的成本过高。生物质能量密度低,不像煤炭体积小、热值高,需要大量原料才能发出同等的电量。生物质原料获取难度也大,如果使用秸秆等农业废弃物,需要向农村的千家万户收购,原材料的获取、加工、储运以及损耗占成本的较大比重。刘伟等人在最新发表的论文中指出:标准的生物质发电系统的效率大约只有20%,大多数生物质发电厂实际上都在亏损运行。

发展BECCS,时刻依然未到

面临双重掣肘,中国离BECCS还有多远?

上述不具名专家认为,目前中国低碳工作的重点还在于碳减排,即从煤电、钢铁、水泥、油气等行业入手,提高能效、降低能耗。“从减碳的链条来说,首先应关注前端,我们一般说实在没招了才用CCS这类末端技术做扫尾工作。” 他预估,CCUS技术可能会在2030年、甚至2040年以后才有大爆发。

但李佳提出的时间表要更早,她认为中国在“十四五”期间,会主要依靠发展风能、光伏等可再生能源来减少电力行业碳排放。如果要将CCUS技术作为煤电厂的标配,她估计大部分城市会在碳达峰之后再进行产业布局,“考虑到多数城市预计会提前实现碳达峰,2025到2028年可能会是一个部署高峰”。

专家们提供的时间表意味着BECCS大面积铺开尚需时日。

对于CCUS应用,上述不具名专家提出,中国需要推出更多落地的政策,“现在我们的文件中只提支持,但缺少抓手”。反观国外,美国给配套CCUS的企业进行税收减免,对CCUS给予了经济上的鼓励。如果中国政府也采取“胡萝卜加大棒”的形式,像对风电、光伏那样实行补贴政策,CCUS大规模发展指日可待。另外,也有研究认为中国还缺乏针对CCS的管理法规,阻碍了其发展。例如,中国还没有针对地下空间所有权的法律法规,针对CCUS项目环境影响评价和风险管控的明确规范也没有制订,更缺乏对关闭后的封存项目及长期管理责任进行规范和规定。而二氧化碳封存的长期安全性是此类项目必须面对的严峻考验。

至于生物质发电,李佳认为如果只进行小规模的试点,在上百万千瓦级的燃煤机组中掺烧5%的生物质,大部分电厂都能在20至50公里内有足够的生物质供应——与国外不同,中国农村地区往往有较多的秸秆和其他农业废弃物。但到底这些农业废弃物能否卖到电厂,仍需要国家出台相关政策,以规范农民和电厂之间的交易。

如果要对生物质发电进行大规模推广,中国可能就会面临产业链的供应问题——秸秆不够用,这需要政府考虑开放生产纯用作燃料的生物质,比如进行人工造林。但从目前英国最大的BECCS电厂德拉克斯(Drax)的经验来看,其木材需求已经破坏了出口国美国的天然林生物多样性,樱皮栎等美国南部腹地古老的原生硬木树种正在系统地被速生的松树所取代,这目前也成为了环保人士对BECCS的一大诟病。

对此,中国社会科学院生态文明研究所研究员陈迎曾在中外对话的访谈中指出,BECCS技术要在CCS技术发展成熟且经济可行的基础上,确保二氧化碳不泄漏,并减少对生态环境的影响, “难题和空白很多,是必须要早研究早部署的”。